DE10131375A1

DE10131375A1 - Measurement bridge for long strain gauge connections has compensation amplifier

Info

Publication number: DE10131375A1
Application number: DE2001131375
Authority: DE
Inventors: Dieter Seidenstuecker
Original assignee: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: DE10131375B4

Abstract

A measurement bridge has a strain gauge (1) with three connections (7) to an amplifier (3) and internal half bridge (5) with feed line (2, 4) voltage regulated by a compensation amplifier (V1) from the probe line (2') with voltage divider (R1, R2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßbrückenschaltung in Dreileitertechnik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Meßverfahren mit einer Meßbrückenschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6. The invention relates to a measuring bridge circuit in Three-wire technology according to the preamble of claim 1 and a Measuring method with a measuring bridge circuit according to the Preamble of claim 6.

Beim Einsatz von Dehnungsmeßstreifen zur Meßwerterfassung werden diese meist mit Kompensationsdehnungsmeßstreifen oder Ergänzungswiderständen zu einer Wheatstone'schen-Brücke verschaltet. Insbesondere wenn Einzeldehnungsmeßstreifen über längere Leitungswege mit den übrigen Brückenzweigen zu einer sogenannten 1/4-Brücke verbunden werden, können die Leitungswiderstände zu Spannungsabfällen führen, die die Meßgenauigkeit erheblich beeinträchtigen. Dabei hängen die Spannungsabfälle im wesentlichen von den Leitungslängen und Querschnitten zwischen den Dehnungsmeßstreifen und den übrigen Ergänzungswiderständen und auch von den Umgebungstemperaturen ab. Bei Meßaufgaben, bei denen es nicht möglich oder sinnvoll ist, die Dehnungsmeßstreifen in der Nähe der Brückenergänzung anzuordnen, kann der Einfluß dieser Spannungsabfälle durch schaltungstechnische Maßnahmen minimiert werden. When using strain gauges for data acquisition these are usually with compensation strain gauges or Supplementary resistors for a Wheatstone bridge connected. Especially when single strain gauges over longer cable routes with the other bridge branches to one so-called 1/4 bridge can be connected Line resistances lead to voltage drops, which the Significantly affect measurement accuracy. The hang Voltage drops essentially from the cable lengths and cross sections between the strain gauges and the rest Supplementary resistances and also from the ambient temperatures. at Measurement tasks, for which it is not possible or sensible, the Strain gauge near the bridge extension to arrange, the influence of these voltage drops through circuitry measures are minimized.

Aus dem Rohrbach, Handbuch für experimentelle Spannungsanalyse, Düsseldorf 1999, Seiten 674 bis 676 ist eine Viertel- Brücke in sogenannter Dreileitertechnik vorbekannt, durch die derartige Spannungsabfälle in den Anschlußleitungen meßtechnisch berücksichtigt werden. Dazu wird der Dehnungsmeßstreifen über zwei Zuleitungen mit den Ergänzungswiderständen und der Speisespannungsquelle verbunden. Über eine dritte Anschlußleitung wird in die Meßdiagonale der Brücke ein Operationsverstärker geschaltet, so daß dadurch die beiden Spannungsabfälle in verschiedenen Brückenzweigen wirksam werden und sich bei gleicher Größe kompensieren. Hierdurch werden zwar die Nullpunktfehler vermieden, aber der Einfluß auf die Empfindlichkeit kann damit nicht beseitigt werden. From the Rohrbach, Manual for Experimental Voltage Analysis, Düsseldorf 1999 , pages 674 to 676, a quarter bridge is known in so-called three-wire technology, by means of which such voltage drops in the connecting lines are taken into account by measurement. For this purpose, the strain gauge is connected to the supplementary resistors and the supply voltage source via two leads. An operational amplifier is connected to the measuring diagonal of the bridge via a third connecting line, so that the two voltage drops in different bridge branches become effective and compensate for the same size. This avoids the zero-point errors, but the influence on the sensitivity cannot be eliminated.

Aus dem Rohrbach, Handbuch für experimentelle Spannungsanalyse, Seite 676 ist eine sogenannte Vierleiterschaltung vorbekannt, mit der eine derartige Empfindlichkeitsminderung vermieden wird. Dazu ist ein in Viertelbrückenschaltung befindlicher Dehnungsmeßstreifen über vier Zuleitungen mit den übrigen Brückenelementen verbunden, wobei der Spannungsabfall auf der einen Speiseleitung durch einen Operationsverstärker zwischen der Speiseleitung und einer Fühlerleitung ausgeglichen wird. Weiterhin sind zwischen einer weiteren Speiseleitung und einer Meßleitung noch zwei Operationsverstärker vorgesehen, die den Spannungsabfall auf der zweiten Speiseleitung durch eine zusätzliche interne Halbbrücke symmetrisch auf die beiden Brückenzweige verteilen und die Speisespannung um den Spannungsabfall auf dieser Speiseleitung entsprechend erhöhen, so daß auch die Empfindlichkeitseinbuße vermieden wird. Allerdings gibt es häufig Anwendungsfälle, bei denen sehr große Meßstellenzahlen vorkommen, wie z. B. bei der Strukturanalyse von Flugzeugteilen, wo der Bauteileaufwand durch die Speisespannungsnachregelung in jedem Verstärkerkanal groß wird. From the Rohrbach, manual for experimental Voltage analysis, page 676 is a so-called four-wire circuit previously known, with such a sensitivity reduction is avoided. For this is a quarter bridge circuit strain gauges located over four leads with the rest Bridge elements connected, the voltage drop on the a feed line through an operational amplifier between the feed line and a sensor line is compensated. There are also between another feed line and one Measuring line two operational amplifiers provided that the Voltage drop on the second feed line through a additional internal half-bridge symmetrical on the two Distribute bridge branches and the supply voltage around the Increase the voltage drop on this feed line accordingly so that the loss of sensitivity is also avoided. Indeed there are often use cases where very large Measuring point numbers occur, such as B. in the structural analysis of Aircraft parts, where the component effort through the Supply voltage readjustment in each amplifier channel becomes large.

Aus der DE 199 57 088 A1 ist eine Meßbrückenschaltung in Dreileitertechnik bekannt, mit der alle Leitungsabfälle auf den Speiseleitungen ausgeregelt werden. Dabei wird zwischen einer der Speiseleitungen und einer quasi stromlosen Meßleitung ein zusätzlicher hochohmiger Verstärker geschaltet, der den Spannungsabfall auf einer der beiden Speiseleitungen erfaßt und mit einem Verstärkungsfaktor von 2 verstärkt. Dieser verdoppelte Spannungsabfall wird dann der Brückenspeisespannung zuaddiert, so daß an beiden Halbbrückenzweigen eine um die Speisespannungsabfälle erhöhte Brückenspeisespannung anliegt. Diese Schaltung erfordert für jeden Verstärkerkanal eine Nachregelung der Speisespannung der vollständigen Brücke und deshalb eine separate interne Halbbrücke. DE 199 57 088 A1 discloses a measuring bridge circuit in Three-wire technology known, with which all line waste on the Feed lines are regulated. It is between one of the feed lines and a quasi currentless measuring line additional high-impedance amplifier connected to the Voltage drop detected on one of the two feed lines and amplified with a gain factor of 2. This doubled voltage drop then becomes the bridge supply voltage added, so that on both half-bridge branches one around Supply voltage drops increased bridge supply voltage is present. This circuit requires one for each amplifier channel Readjustment of the supply voltage of the complete bridge and therefore a separate internal half bridge.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Meßbrückenschaltung mit Einzeldehnungsmeßstreifen in Dreileitertechnik und ein damit durchführbares Meßverfahren zu schaffen, durch die auch längere Anschlußleitungen kompensierbar sind und dies bei geringstem Aufwand. The invention is therefore based on the object Measuring bridge circuit with single strain gauges in To create three-wire technology and a measurement method that can be carried out with it, through which longer connecting cables can be compensated and this with the least effort.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 und 6 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by the in claims 1 and 6 specified invention solved. Further training and advantageous Exemplary embodiments are specified in the subclaims.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Brückenversorgung und die interne Halbbrücke außerhalb des Regelkreises vorgesehen sind. Dies ermöglicht bei mehrkanalig ausgeführten Meßverstärkern nur eine globale Brückenspeisung und nur eine interne Halbbrücke auszuführen, welche von allen Meßkanälen einer Verstärkerbaugruppe genutzt werden können. Insbesondere bei der Vielkanalmeßtechnik zur Dehnungsmessung mit Dehnungsmeßstreifen an belasteten Bauteilen wird dadurch der Schaltungsaufwand und der dafür notwendige Platzbedarf erheblich verringert. Dabei hat sich bei der Dehnungsmessung eine Speisespannungsversorgung der Brücke als vorteilhaft erwiesen, da sich hierbei die Brücke linear verhält. The invention has the advantage that the bridge supply and the internal half bridge is provided outside the control loop are. This enables multi-channel versions Measuring amplifiers only a global bridge supply and only an internal one Execute half bridge, which of all measuring channels one Amplifier assembly can be used. Especially with the Multi-channel measuring technology for strain measurement with Strain gauges on loaded components are the circuit effort and significantly reduces the space required for this. There is one in the strain measurement The supply voltage supply to the bridge has proven to be advantageous because of this the bridge behaves linearly.

Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß durch die Ausregelung der Leitungsspannungsabfälle nur in der Dehnungsmeßstreifenviertelbrücke oder nur in der Ersatzwiderstandsviertelbrücke keine Nullpunktverschiebung und kein Empfindlichkeitsverlust eintritt. Dazu kann die gesamte Leistungsausregelung durch einen Kompensationsverstärker und eine Spannungsteilerschaltung erfolgen, wodurch der Schaltungsaufwand und der Platzbedarf insbesondere bei Vielstellenmeßschaltungen minimiert werden kann. The invention also has the advantage that Adjustment of the line voltage drops only in the Strain gauge quarter bridge or only in the Substitute resistance quarter bridge no zero shift and none Loss of sensitivity occurs. The entire Power regulation by a compensation amplifier and a Voltage divider circuit take place, whereby the circuit complexity and the space requirement, in particular in the case of multi-point measuring circuits can be minimized.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen: The invention is based on an embodiment that in the drawing is shown, explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Meßbrückenschaltung in Dreileitertechnik mit Ausregelung der Leitungseinflüsse. Fig. 1 shows a measuring bridge circuit in three-wire technology with regulation of the line influences.

In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Meßbrückenschaltung mit einem Dehnungsmeßstreifen 1 in R-Brückenschaltung dargestellt, der über drei Anschlußleitungen 7 mit den weiter entfernt angeordneten Brückenzweigen in einer Meßverstärkerschaltung 3 verbunden ist, an die eine interne Halbbrücke 5 und eine Speisespannungsversorgung 6 angeschlossen ist. In Fig. 1 of the drawing, a measuring bridge circuit with a strain gauge 1 in R-bridge circuit is shown, which is connected via three connecting lines 7 to the more distant bridge branches in a measuring amplifier circuit 3 , to which an internal half-bridge 5 and a supply voltage supply 6 is connected.

Die Brückenschaltung besteht im wesentlichen aus einem Dehnungsmeßstreifen 1, der als veränderbarer Widerstand dargestellt ist. Dieser Dehnungsmeßstreifen 1 ist an einem nicht dargestellten zu messenden Bauteil befestigt. Dabei wird in der Regel die Dehnung dieses belasteten Bauteils in einem Versuchsaufbau gemessen. In der Praxis können deshalb einige tausend dieser Dehnungsmeßstreifen 1 an dem zu untersuchenden Bauteil angebracht sein, die dann mit den weiter entfernt angeordneten Meßverstärkerschaltungen 3 verbunden sind. Jeder Dehnungsmeßstreifen 1 ist zur Erfassung der Dehnung als R- Brücke geschaltet und über zwei Anschlußpunkte mit den drei Anschlußleitungen 7 mit der übrigen Meßbrückenschaltung 3, 5, 6, 10 verbunden. Dabei können die Anschlußleitungen auch bis zu einigen hundert Metern Länge betragen und sind deshalb aus Kosten- und Platzgründen meist aus dünnen Kupferleitungen gefertigt. Da zwei Anschlußleitungen 2, 4 zur Speisung des Dehnungsmeßstreifens 1 dienen, verursachen diese Kupferleitungen durch ihre Leitungswiderstände R_L1 und R_L2 die Spannungsabfälle DU₁ und ΔU₂. Diese beiden Anschlußleitungen 2, 4 sind mit der Meßverstärkerschaltung 3 verbunden, die im wesentlichen aus der Ergänzung des Viertelbrückenzweiges und der Leitungsausregelung besteht. The bridge circuit consists essentially of a strain gauge 1 , which is shown as a variable resistor. This strain gauge 1 is attached to a component to be measured, not shown. The elongation of this stressed component is usually measured in a test setup. In practice, a few thousand of these strain gauges 1 can therefore be attached to the component to be examined, which are then connected to the measuring amplifier circuits 3 arranged further away. Each strain gauge 1 is connected to detect the strain as an R bridge and is connected to the other measuring bridge circuit 3 , 5 , 6 , 10 via two connection points with the three connecting lines 7 . The connecting lines can also be up to a few hundred meters long and are therefore usually made of thin copper lines for reasons of cost and space. Since two connecting lines 2 , 4 serve to supply the strain gauge 1 , these copper lines cause the voltage drops DU ₁ and ΔU ₂ due to their line resistances R _L1 and R _L2 . These two connecting lines 2 , 4 are connected to the measuring amplifier circuit 3 , which essentially consists of the addition of the quarter bridge branch and the line regulation.

Der Dehnungsmeßstreifen 1 ist mit einer ersten Speiseleitung 2 mit dem Ausgang eines ersten Kompensationsverstärkers V1 verbunden, der mit seinem hochohmigen Minuseingang mit einer Fühlerleitung 2' beschaltet ist. Der andere Verstärkereingang ist über einen Spannungsteiler R1, R2 mit der Speisespannungsquelle 6 und einer internen Hilfsbrücke 5 verbunden. Die Spannungsteilerschaltung besteht aus den Widerständen R1 und R2, die gleiche elektrische Werte besitzen. Dabei ist der Widerstand R2 im Rückkopplungszweig (Mitkopplung) des Kompensationsverstärkers V1 zum Ausgang 2 angeordnet. Dadurch erhöht sich die Ausgangsspannung des Kompensationsverstärkers V1 bei einem Speisespannungsverlust auf der Speiseleitung 2 um den doppelten Betrag. Damit wird gleichzeitig auch der als gleich groß angenommene Leitungsverlust ΔU₁ auf der Speiseleitung 4 ebenfalls mit ausgeregelt, so daß alle Leitungsspannungsabfälle ΔU₁ und ΔU₂ vollständig im Viertelbrückenzweig des Dehnungsmeßstreifens 1 kompensiert werden. The strain gauge 1 is connected with a first feed line 2 to the output of a first compensation amplifier V1, which is connected to a sensor line 2 'with its high-resistance negative input. The other amplifier input is connected via a voltage divider R1, R2 to the supply voltage source 6 and an internal auxiliary bridge 5 . The voltage divider circuit consists of resistors R1 and R2, which have the same electrical values. The resistor R2 is arranged in the feedback branch (positive feedback) of the compensation amplifier V1 to the output 2 . This increases the output voltage of the compensation amplifier V1 in the event of a supply voltage loss on the feed line 2 by twice the amount. At the same time, the line loss ΔU ₁ on the feed line 4, which is assumed to be of the same magnitude, is also corrected, so that all line voltage drops ΔU ₁ and ΔU _{2 are} completely compensated for in the quarter bridge branch of the strain gauge 1 .

Eine zweite Speiseleitung 4 des Dehnungsmeßstreifen 1 ist zum einen mit dem Ergänzungswiderstand 8 in der Meßverstärkerschaltung 3 verbunden, der die Viertelbrücke des Dehnungsmeßstreifens 1 zu einer Halbbrücke ergänzt. Der zweite Anschluß des Ergänzungswiderstandes 8 ist mit der internen Halbbrücke 5 und der Speisespannungsquelle 6 verbunden. Da beide Leitungsspannungsabfälle dem Dehnungsmeßstreifen-Viertelbrückenzweig zugeschlagen werden, entsteht keine Nullpunktabweichung im Diagonalmeßzweig der Vollbrücke, so daß der Meßwert durch den Verstärker V3 direkt im Diagonalzweig erfaßt und verstärkt werden kann. A second feed line 4 of the strain gauge 1 is connected on the one hand to the supplementary resistor 8 in the measuring amplifier circuit 3 , which supplements the quarter bridge of the strain gauge 1 to form a half bridge. The second connection of the supplementary resistor 8 is connected to the internal half bridge 5 and the supply voltage source 6 . Since both line voltage drops are added to the strain gauge quarter bridge branch, there is no zero point deviation in the diagonal measuring branch of the full bridge, so that the measured value can be detected and amplified by the amplifier V3 directly in the diagonal branch.

Der Diagonalmeßzweig wird durch den Mittelabgriff zwischen dem Dehnungsmeßstreifen 1 und dem Ergänzungswiderstand 8 an der Meßleitung 4, sowie dem Mittelabgriff 9 an der internen Halbbrücke 5 mit den beiden gleichartigen Hilfswiderständen R_H gebildet, die mit den beiden Viertelbrücken aus den Dehnungsmeßstreifen 1 und dem Ergänzungswiderstand 8 eine Wheatstone'sche Vollbrücke darstellt. Da die Speisespannung durch die Nullpunktstabilität im Diagonalzweig nicht nachgeregelt werden muß, kann die interne Halbbrücke 5 direkt an eine konstante Brückenspannung gelegt werden und global für alle Verstärkerschaltungen außerhalb des jeweiligen Verstärkerkanals 3 angeordnet sein. Dadurch kann auch die Brückenspannungsquelle 6 noch von weiteren Meßverstärkerschaltungen 5 anderer Meßkanäle genutzt werden, wodurch bei einer Vielstellenmeßverstärkergruppe erhebliche Bauelemente und Bestückungsraum einzusparen sind. Der direkt im Diagonalzweig 4, 9 angeordnete Meßverstärker V3 erfaßt und verstärkt dabei unmittelbar die Dehnung oder einen davon abgeleiteten Meßwert am Dehnungsmeßstreifen 1, der in einer Anzeigevorrichtung 10 anzeigbar und/oder in einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung weiterverarbeitbar ist. The diagonal measuring branch is formed by the center tap between the strain gauge 1 and the supplementary resistor 8 on the measuring line 4 , and the center tap 9 on the internal half bridge 5 with the two auxiliary resistors R _{H of the} same type, which with the two quarter bridges from the strain gauge 1 and the supplementary resistor 8 represents a Wheatstone full bridge. Since the supply voltage does not have to be readjusted by the zero point stability in the diagonal branch, the internal half bridge 5 can be connected directly to a constant bridge voltage and can be arranged globally for all amplifier circuits outside the respective amplifier channel 3 . As a result, the bridge voltage source 6 can also be used by further measuring amplifier circuits 5 of other measuring channels, as a result of which considerable components and assembly space can be saved in a multi-position measuring amplifier group. The measuring amplifier V3 arranged directly in the diagonal branch 4 , 9 detects and amplifies the strain or a measurement value derived therefrom on the strain gauge 1 , which can be displayed in a display device 10 and / or can be further processed in an evaluation device (not shown).

Claims

1. measuring bridge circuit in three-wire technology, which consists of at least one strain gauge, which is connected via three connecting lines to a measuring amplifier circuit, an internal half-bridge and a supply voltage supply, characterized in that between a supply line ( 2 , 4 ) and a sensor line ( 2 ') Compensation amplifier (V1) for regulating the voltage drops on the feed lines ( 2 , 4 ) is provided, with a voltage divider with two resistors (R1 and R2) of equal size being connected in the feedback branch (positive feedback) of the compensation amplifier (V1), through which the voltage drop occurs the one feed line ( 2 ) is regulated twice.

2. Measuring bridge circuit according to claim 1, characterized in that a constant supply voltage source ( 6 ) is provided for the bridge supply, the voltage of which is applied directly to the internal half bridge ( 5 ) and to the voltage divider resistor (R1) and the supplementary resistor ( 8 ).

3. Measuring bridge circuit according to claim 1 or 2, characterized in that both the internal half-bridge ( 5 ) and the supply voltage source ( 6 ) are provided as global circuit elements which are also connected to further measuring amplifier circuits ( 3 ).

4. Measuring bridge circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the amplifier circuit is designed as a high-impedance operational amplifier (V3), the input of which is connected directly to the connection points ( 4 , 9 ) of the full bridge and a measuring signal is present at the output thereof, which is the measured variable on the strain gauge is proportional.

5. Measuring bridge circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the supplementary quarter bridge consists of the supplementary resistor ( 8 ) and is integrated in the measuring amplifier circuit ( 3 ).

6. A method for acquiring measured values with a measuring bridge circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that the strain gauge ( 1 ) is applied to a loaded component, the strain with a bridge supply with a constant voltage source, which with the strain gauge in three-wire technology connected, is determined.